轴流泵叶轮出口流场实

运用球形五孔探针对自行设计的轴流模型泵3种工况下叶轮出口流场进行了测量,得到叶轮出口绝对速度的周向、轴向、径向速度分量和速度环量分布.测量结果分析表明:叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势;在最优工况下,出口旋转动能占出口总动能的34%左右,其比例随着流量的增加逐渐减小;绝对速度的径向分量较小,轴向分量随着流量的增加而加大,和设计假设相吻合;叶轮出口速度环量从轮毂到轮缘呈逐渐下降的趋势,设计时应增加轮缘处的圆周分量,减小轮毂处的圆周分量.运用球形五孔探针测量三维流场中的速度分量和速度环量分布,具有适用性强、方法简单、测量精度较高的优点.     

轮毂轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响

为提高叶片设计可控度,开展轮毂与轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响研究.基于一种无黏与有黏迭代的叶片三元反问题设计方法,以某比转数n_s=449的混流泵为研究对象,在保持叶片载荷分布、进口环量、出口环量等控制参数不变的基础上,通过改变轮毂与轮缘形状设计出系列叶轮.基于剪切应力输运(SST)湍流模型和SIMPLEC算法,对叶轮内流场特性进行数值计算.结果表明:轮毂与轮缘对叶片几何造型与流场特性具有重要影响;通过轮毂与轮缘调节可优化叶轮高效区范围,过流通道面积增大使大流量工况效率有所提高;轮毂形状对轮毂流面的压力分布影响较大,轮缘形状对整个叶片压力分布有较明显影响,叶轮出口过流通道面积过小将造成轮毂流面出现压力波谷现象.三维反问题设计和三维正问题数值模拟相结合的方法可在混流泵设计中发挥重要作用,具有一定的工程应用价值.     

基于代理模型的混流泵多工况水力性能优化设计

为了拓宽混流泵高效区的运行范围,提高泵非设计工况下的水力性能,提出基于代理模型的混流泵多工况水力性能优化方法.由设计工况单点水力设计得到泵初始设计,并通过叶轮、导叶的参数化方法建立初始计算模型.以叶轮和导叶子午面形状参数以及叶片安放角为优化参数,设计工况下的扬程为约束条件,小流量工况、设计工况、大流量工况下最小效率最大化为优化目标.通过RBF代理型方法建立性能指标与优化参数之间的近似模型,利用CORS优化算法对近似模型进行寻优.根据泵流动特性,提出对子午面形状和叶片形状分步优化策略,有效解决了泵整机模型设计参数多、计算量大的问题.优化结果表明:在0.8Q_d,1.0Q_d,1.2Q_d工况下,泵水力效率分别提高了2.2%, 0.8%和0.7%,扬程均满足约束条件并稍有提高,泵效率曲线较初始设计明显变宽;泵内流场速度分布更加均匀,优化效果明显.     

叶轮出口环量非线性分布条件下混流泵性能研究

为研究反问题设计中叶轮出口翼展方向环量非线性分布对混流泵外特性及内流场的影响，拓展混流泵优化设计空间，在试验验证数值模拟准确性的基础上，通过在叶轮出口翼展方向插入5个控制点控制环量分布的方法构建了17种不同环量分布形式；在其他设计参数不变的基础上使用反问题设计方法对其进行三维造型并使用商业软件CFX进行数值模拟，对其外特性及内部流场进行对比分析。结果表明：环量分布形式对设计工况与小流量工况叶轮效率影响较小，对大流量工况叶轮效率影响较大；在全工况范围内，环量分布形式对叶轮空化性能影响均较大；环量分布形式可显著改变叶轮内部流场，影响叶片不同叶高处的做功能力。     

混流泵非均匀轮缘间隙流场数值计算

为了研究非均匀轮缘间隙下混流泵叶轮内部流场,基于RNG k-ε模型,采用SIMPLEC算法对混流泵在0、0.3、0.5 mm偏心距下的内流场进行数值模拟,对比分析了有、无偏心状态下混流泵外特性、叶片表面静压分布、周向压力和湍动能分布以及轮缘间隙流场的流线分布。研究结果表明,数值模拟采用的网格类型、湍流模型能够较为准确地计算混流泵的内部流动特性。0.5 mm偏心距下混流泵扬程最大下降了9.8%,设计工况点效率下降了4.3%,高效点向大流量偏移;偏心对混流泵叶轮进出口压力分布影响较大,靠近偏心一侧的叶片出口轮缘处压力分布呈现沿径向梯度分布趋势且周向压力分布严重不均;非均匀轮缘间隙严重干扰了端壁区流场,使轮缘间隙流场的泄漏流、二次流等不稳定流动现象明显增多,湍动能耗散随着偏心距增大不断加剧,水力损失增大,是造成效率下降的主要因素。     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.     

出口环量分布对混流泵性能的影响

为了提高设计过程中对混流泵性能的可控制程度,开展了出口环量分布规律对混流泵性能的影响研究。基于三元反设计理论,将环量V u r在轴面流线方向上的偏导数作为载荷分布的控制参数,根据出口环量分布规律的不同设计了平均型、递增型和递减型3个混流泵叶轮。基于雷诺时均Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多重参考坐标系模型对泵内流场进行数值模拟,对泵的效率、空化、叶轮出口的总压及轴面速度沿叶高的分布规律进行比较与分析。结果表明:递增型泵效率最高但空化最差,递减型泵性能正好相反;基于变出口环量分布的三元反设计方法能有效控制叶片不同叶高处的做功能力,递增型叶轮出口的总压和轴面速度随半径增加而增加的速度最快。     

导叶式混流泵内部非定常流动特性数值模拟

为了研究不同流量工况对导叶式混流泵内部非定常流动特性的影响,基于ANSYS CFX软件并采用标准k-ε两方程模型对混流泵的外特性进行了数值预测,分析了流量工况对混流泵内压力分布、流线分布和湍动能的影响,探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果趋势基本一致,最优工况点数值预测与试验测量的扬程和效率误差分别为3.29%和0.27%,数值计算的准确度较高。小流量工况下,叶片工作面与背面之间存在着较大的压力梯度,形成的轮缘泄漏流对主流产生较大干扰,同时受到动静干涉的影响,在叶轮出口和导叶流道内造成较大的能量损失和湍动能耗散;随着流量增加,轮缘泄漏流逐渐减少,动静干涉效应相对减弱,流场流动趋于平稳。不同流量工况下,各监测点压力脉动呈明显的周期性变化,一个旋转周期内压力脉动曲线有4个波峰和4个波谷,叶片通过频率始终占主导作用;流量对叶轮进口处和导叶中间处的压力脉动影响最明显,小流量工况下压力脉动系数的幅值变化最大;随着流量的增大,压力脉动频域幅值随之减小。本研究可为扩大混流泵的运行范围以及混流泵叶轮和导叶的优化设计提供参考依据。     

轴流泵叶轮进出口流场的测量

为了获得轴流泵内部流动的真实情况,设计了内部流动测量装置.运用五孔球形探针,对高效轴流泵在0.8Qopt,1.0Qopt和1.2Qopt工况下的叶轮进口和出口速度矢量分布、静压分布和总压分布进行了测量,并分析了不同工况下的轴面速度、环量、圆周方向分速度和压力分布等.测量结果表明：轴流泵模型进口在0.8Qopt至1.2Qopt工况范围内,流动稳定,进口轴向速度从轮毂到轮缘逐渐减小,且进口预旋很小,不同径向位置的静压基本相等.在最优工况下,轮毂与可调叶片间无间隙时,轴流泵叶轮出口基本呈现等环量流型,轴面速度呈现抛物线分布,且效率高.若轮毂侧存在间隙,间隙处的环量、轴面速度、压力和效率均明显下降.     

轴流泵叶轮非线性环量数学模型建立与试验

以轴流泵叶轮出口速度梯度方程和轴面速度表达式为基础,建立了轴流泵叶轮非线性环量数学模型,并推导了叶片出口流动方程式.采用微型五孔球形探针,对南水北调工程用轴流泵模型(TJ04-ZL-06)最优工况下叶轮出口不同半径位置的环量和轴面速度分别进行了试验测量.试验结果表明,高效轴流泵叶轮出口环量呈现非线性分布,在叶片中部较为平直,在轮毂侧环量降低至中部的0.8倍左右,而轮缘侧增大至中部的1.2倍左右;同时叶轮出口轴面速度分布呈现抛物线流型,叶片中部速度最大.基于建立的非线性环量数学模型对叶轮出口轴面速度分布进行了计算,结果表明不同半径的轴面速度计算值与试验值误差均小于5％,验证了数学模型的可靠性.     

基于载荷分布的潜水轴流泵叶轮与导叶水力设计

对潜水轴流泵进行三维反问题设计,以水力效率为设计目标,提出叶轮、导叶适合的载荷分布形式。通过正交试验设计、单因素分析和数值模拟的方法研究载荷参数对潜水轴流泵内外特性的影响,得到水力效率较优的载荷分布形式:叶轮叶片为前载型,导叶叶片为轮毂中载、轮缘前载型。具体的载荷参数取值范围:对于叶轮,斜率取值范围为-1~0,前载点取值范围为0.25~0.45,后载点取值范围为0.55~0.75;对于导叶,轮毂斜率在0附近取值,轮缘斜率取值范围为0~0.75,轮毂前载点取值范围为0.25~0.45,轮缘前载点在0.25附近取值,轮毂后载点取值范围为0.55~0.75。叶轮设计中发现:前载型叶片对原泵叶根尾缘的二次流有改善作用。导叶设计中发现:由于潜水轴流泵导叶的扩散式结构特点,导叶近壁面易出现分离涡,轮毂中载、轮缘前载型叶片能够有效地抑制导叶近壁面的涡分离。     

混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。     

双吸离心泵叶轮交替加载设计方法

双吸离心泵内部的压力脉动是影响机组运行稳定性的关键因素之一。为了减轻压力脉动,分析了引起双吸离心泵压力脉动的主要原因,研究了不同类型的叶片载荷曲线对双吸离心泵流态的影响,建立了叶片加载方式、叶片出口倾角和叶轮交错角与泵内二次流及压力脉动的关系,提出了能够抑制二次流、降低压力脉动的叶轮交替加载设计方法。在新的设计方法中,叶片载荷曲线具有盖板前加载、轮毂后加载的混合加载模式。基于该方法所生成的双吸叶轮具有轮毂两侧交错布置、叶片出口边正向倾斜、盖板和轮毂包角差小的特点。通过在一大型引黄灌溉泵站的试验表明,该方法可将双吸离心泵压力脉动主频的幅值降低到原来的1/5左右,同时还可改善泵的最优效率和高效区。该方法为大功率双吸离心泵的优化设计和更新改造提供了一种新的技术途径。     

Robust optimization design on impeller of mixed-flow pump

To increase the robustness of the optimization solutions of the mixed-flow pump,the impeller was firstly indirectly parameterized based on the 2 D blade design theory. Secondly,the robustness of the optimization solution was mathematically defined,and then calculated by Monte Carlo sampling method. Thirdly,the optimization on the mixed-flow pump' s impeller was decomposed into the optimal and robust sub-optimization problems,to maximize the pump head and efficiency and minimize the fluctuation degree of them under varying working conditions at the same time. Fourthly,using response surface model,a surrogate model was established between the optimization objectives and control variables of the shape of the impeller. Finally,based on a multi-objective genetic optimization algorithm,a two-loop iterative optimization process was designed to find the optimal solution with good robustness. Comparing the original and optimized pump,it is found that the internal flow field of the optimized pump has been improved under various operating conditions,the hydraulic performance has been improved consequently,and the range of high efficient zone has also been widened. Besides,with the changing of working conditions,the change trend of the hydraulic performance of the optimized pump becomes gentler,the flow field distribution is more uniform,and the influence degree of the variation of working conditions decreases,and the operating stability of the pump is improved. It is concluded that the robust optimization method proposed in this paper is a reasonable way to optimize the mixed-flow pump,and provides references for optimization problems of other fluid machinery.     

基于径向基神经网络的叶轮轴面投影图优化

为了提高余热排出泵的效率,采用拉丁超立方试验设计方法对叶轮轴面投影图上的前盖板圆弧半径、后盖板圆弧半径、前盖板倾角和后盖板倾角4个几何变量进行35组叶轮方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对余热排出泵进行定常数值模拟,得到设计工况下的效率,应用径向基神经网络建立效率与轴面投影图的4个几何变量之间的近似模型,最后采用遗传算法对近似模型进行极值寻优,获得最优的轴面投影图几何参数组合。研究结果表明:对比原始泵的数值模拟性能曲线和试验外特性能曲线,两者吻合较好;径向基神经网络能较好地预测泵设计点效率;优化的轴面投影图使得余热排出泵的水力效率提高了6.18个百分点,改善了叶轮内流场特性。因此,叶轮轴面投影图的优化设计方法是可行的。     

气液两相条件下离心泵内部流态及受力分析

为研究离心泵在气液两相条件下叶轮内部流态及受力情况,选取一比转数n_s=129的离心泵为研究对象,基于CFX软件提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对泵内部流场进行三维瞬态数值模拟,得到不同初始气相体积分数下叶轮流道内气相体积分数分布及叶片载荷等物理量变化规律,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证.结果表明:叶轮内气体主要集中分布在叶片吸力面区域,出口处则集中分布在流道中间区域,叶轮前盖板区域气相体积分数大于后盖板区域;当初始气相体积分数逐渐增大时,叶轮流道内流动紊乱,气液两相流动的不均匀性加剧,旋涡区域增大;随着初始气相体积分数的增大,叶片进口到靠近出口位置,叶片压力面所受压力载荷相对于吸力面减小的更快,而在出口位置附近叶片吸力面压力载荷减小的更快,叶轮径向力的不平衡性加剧,叶轮所受转矩减小.数值计算结果与试验结果在趋势上趋于一致.